説明

蓄電デバイス

【課題】
リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタであって、その特性を劣化させることなく、生産効率を上げることができるリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタの新たな構造を提供すること。
【解決手段】
正極、負極及びセパレータを捲回するための軸芯と、負極の電位を集電するためのリング状の負極集電部材と、を備えたリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタであって、少なくとも、複数の穴を有する負極集電部材か、スリットを有する軸芯のいずれかを備えたリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタとする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタなどの、蓄電デバイスに係り、特に、正負極板がセパレータを介して捲回された電極群を備え、正負極集電リードが正負極板の一側からそれぞれ導出され、電極群の互いに反対側に配設された正負極端子のそれぞれに接続される構造を有する蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
従来からリチウムイオンキャパシタは、様々な分野で利用されている。中でも帯状の正負極板がセパレータを介して軸芯に断面渦巻状に捲回された電極群を円筒状の電池缶に収容した円柱型捲回式リチウムイオンキャパシタは、高出入力、高電圧、高寿命が可能であり、そのため、無人搬送車(AGV)の主電源、瞬低保障装置、回生補助電源など、様々な分野で利用されつつある。
【0003】
一般に、捲回式リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタは、軸芯上部から電解液の注液を行い、捲回群へ電解液を染みこませている。生産性向上のため、注液性の改善が要求される。未対策で注液を行うと、再注液までにかかる時間が1時間以上かかる。そのため電極板に溝を設けるなど、できるだけ早く捲回群に染みこませる対策については、特許文献1に開示されている。
【0004】
しかしながら、電極板に加工を行うと、容量が低下するなど、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタなどの特性に影響を及ぼす可能性がある。
【0005】
結局対策を行わないで注液を行うと、一度では規定量の電解液を注液させることができず、注液後約1時間放置した後に再注液を行い、規定量の電解液を注液することが一般的であるが、この方法では生産効率が悪く、大量生産には向かない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−043718号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記問題に鑑みて、特性を劣化させることなく、生産効率を上げることができるリチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタなどの、蓄電デバイスの新たな構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、正極リード片の先端部が外周面に接合され、正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、捲回電極群の正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、負極リード片の先端部が外周面に接合され、負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、電極群および正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、ガスケットを介して電池缶を封口する電池蓋と、電極群と電池蓋との間に配置された正極集電部材の少なくとも外周面から電極群の上部に亘って、正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、を備えた蓄電デバイスであって、負極集電部材が、複数の穴を有している構造とした蓄電デバイスとする。
【0009】
その際、負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面と凸部の壁部とに、複数の穴を有していると好ましい。
【0010】
また負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面と凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴を有していると好ましい。
【0011】
また負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面に複数の穴部を有し、複数の穴部の少なくとも一つが上面と凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴であると好ましい。
【0012】
さらに、負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面に、複数の穴を有していると好ましい。
【0013】
あるいは、長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、正極リード片の先端部が外周面に接合され、正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、捲回電極群の正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、負極リード片の先端部が外周面に接合され、負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、電極群および正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、ガスケットを介して電池缶を封口する電池蓋と、電極群と電池蓋との間に配置された正極集電部材の少なくとも外周面から電極群の上部に亘って、正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、を備えた蓄電デバイスであって、軸芯が、スリットを有している構造とした蓄電デバイスとする。
【0014】
その際、軸芯の負極集電部材側の端部が、スリットを有していると好ましい。
【0015】
また軸芯の側面部が、スリットを有していると好ましい。
【0016】
さらに、長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、正極リード片の先端部が外周面に接合され、正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、捲回電極群の正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、負極リード片の先端部が外周面に接合され、負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、電極群および正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、ガスケットを介して電池缶を封口する電池蓋と、電極群と電池蓋との間に配置された正極集電部材の少なくとも外周面から電極群の上部に亘って、正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、を備えた蓄電デバイスであって、負極集電部材が複数の穴を有し、かつ、軸芯がスリットを有している構造とした蓄電デバイスとする。
【0017】
その際、負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面と凸部の壁部とに、複数の穴を有していると好ましい。
【0018】
また負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面と凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴を有していると好ましい。
【0019】
また負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面に複数の穴部を有し、複数の穴部の少なくとも一つが上面と凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴であると好ましい。
【0020】
さらに、負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、凸部の上面に、複数の穴を有していると好ましい。
【0021】
その上で、軸芯の負極集電部材側の端部が、スリットを有すると好ましい。
【0022】
さらに、軸芯の側面部が、スリットを有すると好ましい。
【発明の効果】
【0023】
本発明により、従来では、注液後に約1時間放置してから再度注液を行って、規定量の電解液を入れていたにもかかわらず、注液後に約30分放置するだけで再注液を行うことができ、注液時間を短縮させることができた。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明が適用可能な実施形態の一例を示すリチウムイオンキャパシタの断面図である。
【図2】本発明が適用可能な実施形態の内周面に横穴がある負極集電リングの平面図および断面図である。
【図3】本発明が適用可能な実施形態の内周面に横穴がある負極集電リングの平面図および断面図である。
【図4】本発明が適用可能な実施形態の内周面に横穴がある負極集電リングの平面図および断面図である。
【図5】本発明が適用可能な実施形態の内周面に横穴がある負極集電リングの平面図および断面図である。
【図6】本発明が適用可能な実施形態の軸芯の斜視図および断面図である。
【図7】本発明が適用可能な実施形態の軸芯の斜視図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0026】
<全体構成>
発明を実施するための形態の一例として、図1に示すような、本実施形態のリチウムイオンキャパシタ30(以下キャパシタという)は、容器として円筒状のスチール製電池缶8、円筒状の上蓋12に捲回群7及び電解液が収容されている。捲回群7の群中心部には、ポリフェニレンサルファイド製で中空円筒状の軸芯1が使用されている。キャパシタ30は、電池缶8が負極性を、上蓋12が正極性を有している。電池缶8の底面を除く側周部には、図示しないシュリンクチューブを被覆させている。
【0027】
捲回群7の下側には負極板からの電位を集電するための銅製の負極集電リング5が配置されている。負極集電リング5の内周面には、軸芯1の下端部外周面が固定されている。負極集電リング5の外周縁には、負極板から導出された、負極リード片3の端部が溶接で接合されている。負極集電リング5の下部は、負極外部端子を兼ねるキャパシタ容器の内底部に抵抗溶接で接合されている。
【0028】
一方、捲回群7の上側には、軸芯1のほぼ延長線上に正極板からの電位を集電するためのアルミニウム製の正極集電リング6が配設されている。正極集電リング6は軸芯1の上端部に固定されている。正極集電リング6の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板から導出された正極リード片2の端部が溶接で接合されている。正極集電リング6の上方には、正極外部端子を兼ねる上蓋12が配置されている。上蓋12は、上蓋ケース12aと上蓋キャップ12bとで構成されており、これらが積層されて上蓋ケース12aの周縁をカシメ固定することで組み立てられている。正極集電リング6の上面には、リボン状のアルミニウム箔を積層した2本の正極リード板10のうち1本の一側が溶接で接合されている。正極リード板10のもう1本の一側は、上蓋12を構成する上蓋ケース12の下面に接合されている。2本の正極リード板10の他端同士は溶接で接合されている。
【0029】
上蓋12は、絶縁性および耐熱性のEPDM樹脂製パッキン13を介してキャパシタ容器の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオンキャパシタ30の内部は密封されている。また、キャパシタ容器内には、捲回群全体を浸潤可能な図示を省略した水溶性電解液が注液されている。電解液にはプロピレンカーボネート溶媒中に、リチウム塩として6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたものが用いられている。
【0030】
捲回群7は、正極板と負極板とがこれら両極板が直接接触しないように、例えば、厚さ50μmでリチウムイオンが通過可能なセパレータ4を介して軸芯1の周囲に捲回されている。正極リード片2および負極リード片3は、それぞれ捲回群7の互いに反対側の両端面に配されている。
【0031】
捲回群7を構成する正極板は正極集電体としてアルミニウム箔多孔体を有しており、負極板は負極集電体として電解銅箔多孔体を有している。アルミニウム箔および電解銅箔の厚さは、本例では、それぞれ20μmおよび15μmに設定されている。アルミニウム箔および電解銅箔の長寸方向一側の側縁には、それぞれ正極合材および負極合材の未塗着部が形成されている。未塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部でそれぞれ正極リード片2および負極リード片3が形成されている。
【0032】
<正極>
正極板は、アルミニウム箔W1の両面に活性炭が塗布されており、正極合材層W2を形成している。活性炭はアルミニウム箔W1の両面に略均等、略均一に塗布され、乾燥されることで正極合材層W2が形成される。正極板は、乾燥後、アルミニウム箔W1を含まない正極活物質塗布部厚さ65μmとなるようにプレスされ、裁断されている。
【0033】
<負極>
一方で負極板には、非晶質炭素材(非晶質炭素物)が使用されている。負極板では、非晶質炭素材を含む負極合材層W4が電解銅箔W3の両面に略均等、略均一に塗着されており、負極合材層W4が形成されている。負極板は、乾燥後、電解銅箔W3を含まない負極活物質塗布部厚さ40μmとなるようにプレスされ、裁断されている。
【0034】
<電解液>
本実施形態では、水溶性電解液であるプロピレンカーボネート溶媒中に、6フッ化リン酸リチウムを溶解したものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。水溶性電解液としては、通常リチウムイオンキャパシタに用いられる電解液を用いることができる。
(作用等)
更に、本実施形態では円筒形のリチウムイオンキャパシタ30を例示したが、本発明はキャパシタの形状に制限されるものではなく、例えば、多角形のキャパシタにも適用可能である。また、本発明の適用可能なキャパシタの構造としては、上述した電池缶8に上蓋12がカシメ固定されて封口されている構造の電池以外であっても構わない。このような構造の一例として正負極外部端子が電池蓋を貫通しキャパシタ30容器内で軸芯1を介して正負極外部端子が押し合っている状態のキャパシタを挙げることができる。更に、正負極板を捲回した捲回式のキャパシタに代えて、積層型のキャパシタにも適用することができる。また、本発明はキャパシタ容量やサイズ等にも制限されないことはもちろんである。
【実施例】
【0035】
次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオンキャパシタ30の実施例について説明する。なお、比較のために作製した比較例についても併記する。
(実施例1)
負極集電リング5には、図1に示すように、注液性を改善させるべく、負極集電リング5の内周面に横穴が開いている。この負極集電リング5を使用してキャパシタ30を製造した。図1に示す負極集電リング5では、一度の成形ではプレスができず、切削工程が入るという不利な点がある。キャパシタ30の製造には、図6に示すような軸芯1を使用した。軸芯1と負極集電リング5との嵌合性は良好であった。
【0036】
また、負極集電リング5の内周面の穴面積の割合は、内周面全面との面積比で20%以上であれば効果が期待できる。一方、面積比が40%を超えると、負極集電リング5の強度が低下しだし望ましくない。よって負極集電リング5の内周面の穴面積は、内周面全面との面積比で20%以上40%以下であることが好ましい。
【0037】
本実施例では、負極集電リング5の内周面の穴面積の割合は20%強である。
(実施例2)
負極集電リング5には、図4に示すように、負極集電リング5の内周面に横穴が開いており、かつ捲回群7と負極集電リング5とが接する面に開いている穴と繋がっている。こうすることで、内周面の穴面積の内周面前面との面積比率は約40%であり、実施例1に比べて約2割大きくすることができる。また、穴が大きくなったことで、余分な肉厚を逃がすことができるため、1度のプレスで製造することができる利点がある。この負極集電リング5を使用してキャパシタ30を製造した。軸芯1と負極集電リング5との嵌合性は良好であった。
(実施例3)
図5に示すように、負極集電リング5の内周面には、横穴が開いている構造であって、かつ捲回群7と負極集電リング5とが接する面に開いている穴と交互に繋がっている。内周面の横穴の面積比率は、実施例2と同じで約40%である。こうすることで、内周面の横穴の面積比率を実施例1に比べて約2割大きくすることができる。また、内周面の横穴の面積比率が大きくなったことで、余分な肉厚を逃がすことができるため、1度のプレスで製造することができる利点がある。この負極集電リング5を使用してキャパシタ30を製造した。図6に示すように、軸芯1と負極集電リング5との嵌合性は良好であった。
(実施例4)
図6に示すように、負極集電リング5の内周面には、横穴が空いていない構造を使用してキャパシタ30を製造した。軸芯1として図7に示すようなスリットを有する軸芯を使用した。軸芯1と集電リング5との嵌合性は良好であった。
(比較例)
図6に示すように、負極集電リング5の内周面には横穴が空いていない構造とした。この負極集電リング5を使用してキャパシタ30を製造した。軸芯1と負極集電リング5との嵌合性は良好であった。
【0038】
【表1】

【0039】
表1のように、比較例に示す負極集電リング5に横穴が開いていない場合に比べて、横穴が開いている負極集電リング5を使用した実施例1乃至実施例3の場合、再注液までに有する時間が短くてすむ。これは、負極集電リング5の内周面の横穴の内周面全面との面積比率が適正な値だったためである。
【0040】
また、表1のように、実施例4と比較例とを比べると、実施例4の方が比較例よりも再注液に要する時間が短くなっている。これは、実施例4では、負極集電リング5には横穴が空いていないものの、軸芯1にスリットが入っているためで、このスリットが、負極集電リング5に設けられた横穴に匹敵する効果を有しているためである。
【0041】
すなわち、電解液の再注液までに要する時間を短縮するためには、負極集電リング5の内周面に横穴を設けるか、軸芯1にスリットを入れるか、いずれかの手段により達成できる。もちろん、両方採用してもよいことは言うまでもない。
【0042】
本実験で使用したリチウムイオンキャパシタ30の初期特性を測定したところ、負極集電リング5の横穴の有無による差異は認められなかった。この結果、本発明は、特性に影響を及ぼすことなく、生産効率を上げることができることが判明した。
【0043】
本発明は、リチウムイオン二次電池やリチウムイオンキャパシタなどの、蓄電デバイスを製造する上で、生産工程を上げる方法を提供するので、蓄電デバイスの製造、販売に寄与するものであるため、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【0044】
1…軸芯、2…正極リード片、3…負極リード片、4…セパレータ、5…負極集電リング、6…正極集電リング、7…捲回群、8…電池缶、10…正極リード板、11…絶縁材、12…上蓋、12a…上蓋ケース、12b…上蓋キャップ、13…パッキン、30…リチウムイオンキャパシタ、W1…第1の金属箔、W2…正極合材層、W3…第2の金属箔、W4…負極合材層。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、前記正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、
前記捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、前記正極リード片の先端部が外周面に接合され、前記正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、
前記捲回電極群の前記正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、前記負極リード片の先端部が外周面に接合され、前記負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、
前記電極群および前記正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、
ガスケットを介して前記電池缶を封口する電池蓋と、
前記電極群と前記電池蓋との間に配置された前記正極集電部材の少なくとも外周面から前記電極群の上部に亘って、前記正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、
を備えた蓄電デバイスであって、
前記負極集電部材が、複数の穴を有していることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項2】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面と前記凸部の壁部とに、複数の穴を有していることを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイス。
【請求項3】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面と前記凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴を有していることを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイス。
【請求項4】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面に複数の穴部を有し、前記複数の穴部の少なくとも一つが前記上面と前記凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴であることを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイス。
【請求項5】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面に、複数の穴を有していることを特徴とする請求項1記載の蓄電デバイス。
【請求項6】
長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、前記正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、
前記捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、前記正極リード片の先端部が外周面に接合され、前記正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、
前記捲回電極群の前記正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、前記負極リード片の先端部が外周面に接合され、前記負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、
前記電極群および前記正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、
ガスケットを介して前記電池缶を封口する電池蓋と、
前記電極群と前記電池蓋との間に配置された前記正極集電部材の少なくとも外周面から前記電極群の上部に亘って、前記正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、
を備えた蓄電デバイスであって、
前記軸芯が、スリットを有していることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項7】
前記軸芯の前記負極集電部材側の端部が、スリットを有することを特徴とする請求項6記載の蓄電デバイス。
【請求項8】
前記軸芯の側面部が、スリットを有することを特徴とする請求項6または請求項7記載の蓄電デバイス。
【請求項9】
長手方向に沿う一側に櫛状に形成された正極リード片を有する正極と長手方向に沿う一側に櫛状に形成された負極リード片を有する負極とが、セパレータを介して軸芯の周りに捲回され、前記正負極リード片が、互いに反対側に導出された電極群と、
前記捲回電極群の端面に対向配置されるとともに、前記正極リード片の先端部が外周面に接合され、前記正極の電位を集電するリング状の正極集電部材と、
前記捲回電極群の前記正極集電部材が位置する端面と反対側の端面に対向配置されるとともに、前記負極リード片の先端部が外周面に接合され、前記負極の電位を集電するリング状の負極集電部材と、
前記電極群および前記正負極集電部材を電解液と共に収容する有底円筒形の電池缶と、
ガスケットを介して前記電池缶を封口する電池蓋と、
前記電極群と前記電池蓋との間に配置された前記正極集電部材の少なくとも外周面から前記電極群の上部に亘って、前記正極集電部材に接合されたリード片を覆う絶縁体と、
を備えた蓄電デバイスであって、
前記負極集電部材が複数の穴を有し、かつ、前記軸芯がスリットを有していることを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項10】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面と前記凸部の壁部とに、複数の穴を有していることを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス。
【請求項11】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面と前記凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴を有していることを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス。
【請求項12】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面に複数の穴部を有し、前記複数の穴部の少なくとも一つが前記上面と前記凸部の壁部とを繋ぐ複数の穴であることを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス。
【請求項13】
前記負極集電部材が、中心部分の底部と周辺部分の凸部とを有する略円形形状であって、前記凸部の上面に、複数の穴を有していることを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス。
【請求項14】
前記軸芯の前記負極集電部材側の端部が、スリットを有することを特徴とする請求項9記載の蓄電デバイス。
【請求項15】
前記軸芯の側面部が、スリットを有することを特徴とする請求項9または請求項14記載の蓄電デバイス。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−216653(P2012−216653A)
【公開日】平成24年11月8日(2012.11.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−80422(P2011−80422)
【出願日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【出願人】(000001203)新神戸電機株式会社 (518)
【Fターム(参考)】